幕墙第一线 | 看全流程系统化智能制造在北京城市副中心大剧院幕墙工程的应用

　　北京城市副中心剧院位于世界文化遗产京杭大运河北端沿岸，坐落在北京通州城市绿心森林公园内，被誉为大运河畔的“艺术宫殿”，又名“文化粮仓”，是空间结构最为复杂、系统设计最为多样、科技含量最高的建筑类型之一，将成为北京市又一代表性的新地标。

△ 大剧院整体效果图 

　　大剧院项目建筑面积约12.53万平方米，地上五层（8.27万平方米）、地下二层（4.26万平方米），高度为49.5米，建成后可容纳约5500人，北京城市副中心剧院计划于2022年12月底竣工，于2023年对公众开放。

　　大剧院的折线铝板造型复杂多变，设计时采用的三维建模，造型种类多，一块一个编号，而且数量多达1800樘。

　　大剧院铝板造型如下图所示。

△ 大剧院铝板造型实物图

　　大剧院项目铝板龙骨组框由FJY-K17模号组装件和FJY-K18模号组装件拼接而成。每个模号组装件的加工批次各有40批左右，每批大约600支编号加工件，每支编号组装件的加工造型各不相同，下料工序和机加工序程序代码编程环节极其复杂。FJY-K17模号型材有12张加工图纸，每张图纸有七个变量数据。FJY-K18模号型材有六张加工图纸，每张图纸有九个变量数据。

　　（1）下料工序加工特点

　　目前已知的大剧院组框下料批次中切割长度大约在68.7mm-5595mm之间变化，表2-2所示的30批次FJY-K17模号型材切割长度在1309.1mm-1491.3mm之间变化，表2-4所示的30批次FJY-K18模号型材切割长度在4523mm-4619.5mm之间变化。总体来看切割长度跨度极大，其中许多编号加工件的切割长度极其接近，仅相差几毫米左右，变化不一，下料难度很大，切割效率不高。

　　（2）机加工序加工特点

　　FJY-K17模号型材，加工图纸如下图2-1所示。共有10个直径5.5mm的小圆孔，型材左端有五组小孔，右端有五组小孔。结合图2-1和表2-2数据来看，左端LS1长度数值在3mm-12.6mm之间变化，S1长度数值在92.2mm-105mm之间变化，右端X1长度数值在49.7mm-124.9mm之间变化，LX1长度数值在5.5mm-12.2之间变化。

△ 图2-1 FJY-K17型材模号其中一张加工图纸

△ 表2-2 FJY-K17型材模号部分加工数据参数表

　　FJY-K18模号型材，如图2-3所示。共有4组8个直径5.5mm的小圆孔，每组由两个小孔构成。结合图2-3和表2-4数据来看，每组小孔中间间隔B长度数值在17mm-17.3mm之间变化，第一组小孔里型材最左端A长度数值在7.2mm-9mm之间变化，第一组小孔和第二组小孔之间C长度数值在1482.7mm-1513.2mm之间变化，第二组小孔和第三组小孔之间D长度数值在1516.7mm-1545.6mm之间变化，第三组小孔和第四组小孔之间E长度数值在1488.7mm-1515.1mm之间变化。

△ 图2-3 FJY-K18型材模号其中一张加工图纸

△ 表2-4  FJY-K18型材模号部分加工数据参数表

　　FJY-K17模号型材和FJY-K18模号型材不同编号加工件加工孔位的位置千变万化，细微的孔位变化容易造成数据混乱，操作工很容易将加工孔位标记错误导致生成错误的程序代码。该产品使用传统代码编程模式编程难度极高，工作量极大，NC代码的编写需要大量的时间，严重制约生产效率。

　　一、传统下料模式

　　目前，由于幕墙行业的多品种和小批量的特点，还没有使用完全自动化的设备。仅从切割角度讲，行业比较先进的是含自动送料的复合角五轴锯，自动切割的任意角锯。根据副中心大剧院工程龙骨框架组装件产品是切割角度单一、数值多变且复杂的加工件特点。我们选择任意角双头锯下料。

　　大剧院铝板龙骨型材组框加工件基本都是一根原材开一刀或一根原材开多刀，不同编号的加工件切割长度和角度基本不同。下料前的准备工作包括下载该批次的套裁单（如图3-1所示）、加工数据参数表（如图3-2所示）、加工图纸（如图3-3所示）大体了解该批次的特点。对照套裁表和加工数据参数表，确定某编号加工件的切割长度和左右端切割角度信息后输入在双头锯触摸屏上，如图3-4所示。观察加工图纸确定型材摆放方式，放上型材，按下定位按钮，双头锯运动到设置好长度和角度的切割位置，夹紧型材进行切割。切割完毕后，将该加工件编号和切割长度写在加工件表面。此下料模式对操作工能力技术要求较高，同时兼顾套裁、加工数据参数表、加工图纸和触摸屏参数。

△ 图3-1  MES系统里下载套裁单文件图

△ 图3-2  MES系统里下载加工数据参数表文件图

△ 图3-3  MES系统里下载加工图纸文件图 

△ 图3-4  下料锯触摸屏图片

　　二、传统NC代码编写模式

　　大剧院铝板龙骨型材组框组装件FJY-K17模号和FJY-K18模号，同模号加工件的加工小孔直径相同，加工孔位的间距却各不相同，孔距变化无任何规律可循，加工孔位的位置变化较复杂，好在加工孔位都是垂直孔位，无斜孔和特殊加工孔位，因此我们选取普通三轴加工中心加工。

　　同一张加工图纸挑选出一个编号作为该加工图纸的模板加工图，画好需要加工的孔位，设置合适的加工刀具参数和加工参数，生成加工程序代码。剩余编号加工图的编写在模板图的基础上，更改移动模板图中各个加工孔位坐标到新编号的正确加工孔位坐标上，依次生成每支编号的加工程序代码保存到程序文件夹待加工时使用。

　　该方案是纯手工，高度重复的工作，效率低，且容易出错。

　　鉴于传统加工模式中遇到的难点问题和弊端，我们研究出下述下料新模式和NC代码参数化编写的新方案。

　　一、下料新模式

　　下料前先了解整批料的套裁，评估整体切割长度的差别。套裁上只显示型材的切割长度信息和切割数量信息，缺少加工件编号信息，对照加工数据参数表上的切割长度找到与之对应的加工件编号，参考加工件加工图纸，确认图纸所标角度和切割摆放方式。这种传统下料模式对操作工能力技术要求较高，同时兼顾套裁、加工数据参数表、加工图纸和触摸屏参数。

　　通过对传统方式的分析，我们首先将数据进行梳理和整合，挑选出套裁单和加工数据参数表中所用到的切割数据信息，整合成一份双头锯可识别的加工数据文件，包含切割长度、角度、加工件编号等信息。导入该合成后的加工数据文件，开料对接软件按顺序发送切割数据并自动定位到切割锯的锯头。切割完成后，对接软件发送该加工件标签信息到打印机，打印出加工件标签信息。该方案很大程度上简化了操作工的工作内容，降低了对操作工的能力技术需求。

　　具体的操作方式参考下图，中图提到的系统是指江河幕墙自己研发的MES系统。

△ 图4-1 下料新模式思维导图

　　二、加工中心NC代码参数化编写

　　加工中心编程对于同一张图纸不同编号的加工件使用变量参数化编程可以简化编程难度。同一张加工图纸不同编号的加工件所用到的刀具信息、加工参数信息相同，不同的仅是加工孔位的位置坐标。在MILL 9金工编程软件上画好一张模板加工图并生成NC程序，创建出图纸上的加工孔位坐标的变量，根据图纸孔位关系写出变量关系式。依次在NC程序代码里找到加工孔位坐标的位置，系统通过变量关系式代入加工参数表已知的数据信息，将该图纸所有编号的加工程序代码生成并保存在指定文件夹。

　　具体的操作方式参考下图，中图提到的SAP系统是指江河幕墙使用的SAP系统。

△ 图4-2 加工中心参数化编程思维导图

　　一、下料新模式操作步骤

　　1.通过MES系统搜索加工件的工程项目编码和工序明细号，勾选正确的物料大类，下载出套裁单（图3-1所示）、加工数据参数表（图3-2所示）、加工图纸（图3-3所示），加工明细表（图5-1所示）。

△ 图5-1.MES系统中下载加工明细表文件图

　　2.打开下载好的加工明细表文件筛选出型材的模号，如表5-1所示，对照加工数据参数表将该模号型材的高度，左锯片摆角，右锯片摆角，切割长度等信息复制粘贴到加工明细表里（加工数据参数表和加工明细表里每列数据一一对应），填好信息后将文件保存。

△ 表5-1 加工明细表

　　3.将步骤2中保存的加工明细表表格文件上传到MES系统中（如图5-2所示），上传成功后MES系统整理合成双头锯可识别读取的加工数据文件并弹出下载文件界面，下载完成后打开双头锯可识别读取的加工数据表（如表5-2所示）。

△ 图5-2.在MES系统中上传加工明细表图 

△ 表5-2 对接软件可读取的加工数据表

　　4.打开下料锯对接软件，导入生成好的加工表格文件，点击开料按顺序切割，如下图5-3所示。

△ 图5-3 双头锯开料设备对接软件界面图

　　5.对接软件会将第一行切割数据自动发送数据到双头锯触摸屏，按下一键定位按钮后，机头定位到切割位置，放上型材后夹料切割。切割完成后，自动打印加工件的加工件编号和切割长度信息，如图5-4所示。取下加工件的同时，物料检测传感器检测不到型材，双头锯自动定位到下一行切割长度和左右摆角角度的切割位置，摆好待切割型材，夹料切割。切割好的加工件如图5-5所示。

△  图5-4 标签打印机自动打印标签图

△  图5-5 下料成品加工件码放图

　　效率对比：

　　原有下料模式：一天切200左右成品加工件

　　下料新模式：一天切700左右成品加工件

　　二、程序代码参数化编程操作步骤

　　1.参照加工图纸，用MILL 9金工编程软件上画好一张模板加工图并生成NC程序，创建出图纸上的加工孔位坐标的变量，根据图纸孔位关系写出变量及变量关系式，如图5-6所示。依次在模板图生成的NC程序代码中找到加工孔位坐标的变量，标注出来并保存程序文件，如图5-7所示。告知软件工程师变量信息及变量关系式，软件工程师将该批次编程代码变量及变量关系式上传至SAP系统。

△  图5-6 部分加工数据参数表和变量关系式图片 

△  图5-7 编程程序代码中部分变量在代码中位置标注图

　　2.打开SAP系统，找到代码生成器，如下图5-8所示。加工件清单处选择该批次的加工数据参数表，在代码模板处选择模板图生成的加工程序代码，SAP系统通过变量及变量关系式代入加工数据参数表已知的数据信息，生成每支编号的加工程序代码。保存位置处选择该批次生成的所有代码的保存位置。最后勾选出该批次变量关系式合集名称。

△  图5-8 SAP系统代码生成器界面图

　　3.点击参数化编程运行按钮，生成文件成功后，会打开相应文件夹，如图5-9所示。查看该批次所有编号的加工代码，完成所有NC代码的编写工作。

△  图5-9 存储编程程序代码的文件夹图

　　效率对比：

　　原有机加模式：一天加工70支成品加工件

　　机加新模式：一天加工220支成品加工件

　　下料和机加新技术模式，在一定程度上简化了操作工的操作步骤，减少出错率，降低了对操作工能力技术的要求，在保证加工质量的前提下，生产加工效率是原有模式的3倍以上。

　　该项目实施的理论基础是江河幕墙副总裁兼工程管理中心总监陈光烁在2020年提出智能制造的理论——基于信息化传递生产资料，优化自动化设备，实现信息化和自动化设备的完美对接。该理论为江河幕墙智能制造研发指明了方向，智能制造并不是一味的高大上，而是根据幕墙行业的特点从实际出发，解决生产加工中的具体问题。例如：我们有多种方式解决加工中心编程的问题，对于三维实体的工程采用FORMCAM，加工简单且编号少的工程使用MASTECAM9.0，加工参数和编号繁多的项目使用参数化编程，三种方式各有优势，能够自如应对不同类型的产品。

　　该项目的成功实施是第一次让信息化和自动化设备完美的结合，结束了幕墙制造业中由人工重复处理海量数据的时代，节约大量劳动力，提高生产效率，让江河幕墙在智能制造领域的研发与应用方面再上一个新台阶，其影响和意义深远。

（作者/北京江河幕墙系统工程有限公司    陈光烁、贾庆利、王子岳   责任编辑/唐 琦）